PROJEKT: „Innowacyjna usługa zagospodarowania popiołu

PROJEKT:
„Innowacyjna usługa
zagospodarowania popiołu
powstającego w procesie spalenia
odpadów komunalnych w celu
wdrożenia produkcji
wypełniacza.”
Etap I
Pobór próbek popiołów lotnych
i przygotowanie próbek do badań
PROJEKT:
„Innowacyjna usługa zagospodarowania popiołu
powstającego w procesie spalenia odpadów komunalnych w celu wdrożenia produkcji wypełniacza
Etap I
Pobór próbek popiołów lotnych
i przygotowanie próbek do badań”
Na zlecenie Zakład Gospodarki Odpadami „Green" Sp. z o.o.
Spis treści
Etap I - Pobór próbek popiołów lotnych i przygotowanie próbek do badań
Wstęp .....................................................................................................................................................
Popiół denny .....................................................................................................................................
Charakterystyki fizyczne popiołu dennego pochodzącego z różnych rodzajów morfologicznych .
Popiół lotny ......................................................................................................................................
Zadanie I - Pobór próbek popiołów lotnych ..........................................................................................
Okres i częstotliwość pobrania próbek ..............................................................................................
Miejsce pobrania próbek
Sposób pobrania i zabezpieczenia próbek ........................................................................................
Osoby pobierające próbki.................................................................................................................
Zadanie II - Przygotowanie próbek do badań ........................................................................................
Przygotowanie próbek popiołu lotnego do badań rozkładu ziarnowego i składu chemicznego ......
Przygotowanie próbek popiołu dennego do badań rozkładu ziarnowego i składu chemicznego ....
3
Wstęp
Głównym problemem zagospodarowania popiołów lotnych i popiołów dennych pochodzących
ze spalarni odpadów opartych na kotłach rusztowych wyposażonych w różnego rodzaju konstrukcje
rusztowe jest nadmierna zawartość części palnych. W skrajnych przypadkach zawartość części
palnych w popiołach dennych dochodzi do 35% udziału masowego, a w popiołach lotnych do 20%
udziału masowego. Takie ilości części palnych powodują, że popioły te stają się odpadami
niebezpiecznymi, koniecznymi do składowania na specjalnych składowiskach, a proces termicznej
utylizacji odpadów jest procesem który jedynie zmniejsza objętościowo i masowo ilość
utylizowanych odpadów, a nie likwiduje ich.
Zawartość części palnych w popiołach emitowanych z kotłów obecnie pracujących spalarni
odpadów komunalnych, znacznie przewyższa dopuszczalne, określone przez normy unijne
i krajowe normy emisyjne, zarówno do atmosfery jak i do gleby.
4
Zawartość części palnych w popiele lotnym mierzonym w czopuchu kotła, jedynej w kraju
spalarni odpadów komunalnych na Targówku w Warszawie przekracza znacznie 5% udziału
Rysunek 1: Aglomeraty żużlu pochodzące z kotła z rusztem schodkowym spalarni odpadów Targówek w
Warszawie
masowego. W lejach zsypowych filtrów odpylających, popiół lotny zawierał 8÷15% udziału
masowego części palnych w postaci koksiku. Jest to więc odpad, który należy składować, a nie
wykorzystywać jako surowiec budowlany. Znacznie gorsza jest sytuacja z popiołem dennym, który
może zawierać nawet 20÷35% części palnych, w postaci karbonizatu, zatopionego w roztopionym
popiele, co przedstawiają fotografie elementów żużlu pobranego z leja zsypowego kotła rusztowego
spalarni na Targówku (rys. 1). Zawartość części palnych w popiele lotnym lub dennym w ilościach
większych niż 5% jest głównym problemem przy próbach zagospodarowania popiołu ze spalarni
odpadów komunalnych. Na obecnym etapie rozwoju technologii kotłów stosowanych w spalarniach
odpadów komunalnych z różnego rodzaju rusztami popiół denny jest traktowany jako odpad,
konieczny do składowania na składowiskach odpadów specjalnie do tego celu przystosowanych.
5
Popiół denny
Parametrami substancji palnej, które w decydujący sposób wpływają na proces zapłonu jest
zawartość wilgoci i zawartość popiołu. Zawartość wilgoci, sposób jej rozmieszczenia i struktura
fizyczna substancji mineralnej ma natomiast duży wpływ na szybkość termicznego rozkładu
i szybkość wydzielania gazów pirolitycznych.
Substancja mineralna może bowiem wchodzić w chemiczny skład substancji organicznej lub
może tworzyć odrębne struktury połączone fizycznie z substancją organiczną lub może otaczać je.
Wpływ i oddziaływanie substancji mineralnej objawia się w różny, często nieprzewidywalny
sposób zarówno w fazie suszenia, w fazie wyjścia części lotnych jak i w fazie spalania karbonizatu.
Pomijając różne częste odstępstwa, można generalnie stwierdzić, że wzrost zawartości
wilgoci i substancji mineralnej zawsze prowadzi do wzrostu czasu zapłonu substancji palnej.
Rozpatrując zawartość wilgoci (Wr) i popiołu (Ar) w składnikach morfologicznych odpadów, należy
zaznaczyć bardzo duży rozrzut szczególnie zawartości wilgoci (Wr). W dostarczonej próbce
odpadów,
zawartość
wilgoci
poszczególnych
składników
morfologicznych
waha
się
od 0,68% do 28,45%.
Oznaczone zawartości popiołu (Ar) wykazały, że składniki morfologiczne odpadów
pochodzących z organicznych substancji roślinnych i zwierzęcych (poza odpadami kostnymi)
zawierają znacznie mniej popiołu niż odpady pochodzenia przemysłowego typu; PCV, guma i skóry
w których pierwiastki chemiczne tworzą popiół w znacznej mierze związany chemicznie
z pierwiastkami tworzącymi substancję palną. Substancję mineralną w tej grupie odpadów tworzą
głównie pierwiastki: Si, Al, Fe, Co, Ni, które znacznie podnoszą do góry charakterystyczne
temperatury popiołu.
Popiół pochodzący z odpadów roślinnych i zwierzęcych powstaje głównie z pierwiastków
grupy: (Ca, Mg, Na, K), które w istotny sposób obniżają charakterystyczne temperatury popiołu
w trakcie termicznego nagrzewu. Obniżenie temperatur jest na tyle znaczne, że wymaga bardzo
uważnego prowadzenia procesu w takim zakresie, aby nie przekroczyć temperatury w złożu
6
spalającego się paliwa powyżej 1000oC, gdyż powoduje to oblepienie niespalonego paliwa przez
roztopiony popiół i znaczny wzrost straty niecałkowitego spalania w żużlu.
Zawartość popiołu autochtonicznego w odpadach organicznych, waha się od 0,5 do 5%,
a w odpadach przemysłowych, waha się od 10 do 20%. Wśród odpadów organicznych jedynie
odpady kostne zawierają duże ilości popiołu na poziomie Ar=25÷35%. Oprócz dużej ilości popiołu,
odpady kostne charakteryzują się popiołem o bardzo niskiej temperaturze spiekania, mięknienia
i topnienia.
Składnikiem paliwa który decyduje o czasie całkowitego wypalania danej substancji jest
karbonizat (Kr), który pozostaje po odgazowaniu danej substancji. Ilość karbonizatu pozostałego po
odgazowaniu oraz jego struktura fizykochemiczna (skład chemiczny i sposób ułożenia siatek
krystalicznych węgla) decyduje o szybkości wypalania się danego składnika morfologicznego
odpadów. Czas wypalania poszczególnych struktur morfologicznych wpływa na strukturę złoża
wypalanych odpadów (o ile są one wypalone w złożu np. na ruszcie). Struktura złoża wpływa
bowiem w zdecydowany sposób na powstałą stratę kominową (Sk) oraz stratę niecałkowitego
spalania w żużlu (Snż).
Pozostałość karbonizatu (Kr) po procesie odgazowania jest więc bardzo ważną cechą
fizykochemiczną składników morfologicznych, które w bardzo istotny sposób wpływają na
sprawność termiczną, oraz sprawność ekologiczną procesu termicznej utylizacji. Obniżenie
sprawności termicznej wynika ze wzrostu straty kominowej (Sk) i straty niecałkowitego
spalania (Sn), a pogorszenie sprawności
ekologicznej wynika
ze wzrostu zawartości
koksiku (C) w popiele dennym.
Zawartość karbonizatu (Kr) jako pozostałości po odgazowaniu jest w bardzo znacznej
mierze uzależniona od rodzaju morfologicznego odpadów. Najmniejszą ilość karbonizatu uzyskuje
się w wyniku odgazowania substancji organicznych pochodzących z mięsnych odpadów
zwierzęcych (Kr= 3,85%) z makulatury (Kr= 3,18÷5,23%), oraz osadów ściekowych (Kr= 3,57%).
Najwyższe ilości karbonizatu powstają przy odgazowaniu odpadów pochodzących z PCV
7
(Kr= 27,48%), oraz z odpadów skórzanych (Kr= 32,84%) i z odpadów gumowych (Kr= 46,15%).
O szybkości wypalania karbonizatu, oraz o sposobie zachowania się spalanej substancji
w istotny sposób decyduje ilość oraz skład elementarny substancji mineralnej z której po spaleniu
powstaje popiół. Substancja mineralna może bowiem wchodzić w związki chemiczne
z pierwiastkami (C, H, O, S, N), które tworzą substancję palną (guma, PCV, kości) i wówczas jest
to tzw. substancja związana chemicznie lub może nie być związana chemicznie z substancją palną
będącą substancją przybyszową, dającą się mechanicznie oddzielić np. w procesie flotacji. Skład
chemiczny substancji mineralnej odgrywa natomiast bardzo istotną rolę w procesie termicznych
przemian popiołu w trakcie spalania.
Pierwiastki metali grupy alkalicznych (Mg, Ca) oraz grupy litowców (Na, K) w bardzo
istotny sposób obniżają temperatury fizyczne popiołu (spiekania, mięknienia, topnienia i płynięcia).
W przeciwieństwie do tych grup, pierwiastki grupy węglowców (Si), borowców (Al.) oraz
żelazowców (Fe, Co, Ni), znacznie podnoszą charakterystyczne temperatury popiołu.
Z energetycznego punktu widzenia projektowanie instalacji do spalania odpadów
komunalnych musi opierać się na bardzo wiarygodnych informacjach dotyczących zawartości
wilgoci, popiołu, kaloryczności, składu elementarnego substancji organicznej i nieorganicznej,
stopnia konwersji w gaz pirolityczny w trakcie odgazowania, własności fizycznych popiołu
w wysokich temperaturach, właściwości kinetycznych gazów pirolitycznych i właściwości
fizykochemicznych
karbonizatów.
Niektóre
pierwiastki
oddziaływają
niekorzystnie
na
powierzchnie ogrzewalne kotłów będąc sprawcami tzw. korozji chlorowej lub zanieczyszczających
nadmiernie powierzchnie ogrzewalne poprzez tworzenie szklistych powłok powstałych w wyniku
kondensacji par, np. Na, K itd. Pierwiastki grupy metali alkalicznych i grupy litowców obniżają
znacznie temperaturę mięknienia popiołu co prowadzi do zażużlowania komór spalania i niszczenia
struktury złoża spalanego paliwa poprzez tworzenie się rożnego rodzaju spieków. Spalanie
odpadów w kotłach rusztowych z uwagi na skład chemiczny substancji organicznej i nieorganicznej
przebiega odmienne od spalania stałych paliw konwencjonalnych.
8
Charakterystyki fizyczne popiołu dennego pochodzącego z różnych rodzajów morfologicznych
Zachowanie się substancji popiołu podczas procesu spalania (jakiegokolwiek gatunku paliwa
stałego) określają charakterystyczne temperatury jakie przechodzi popiół w trakcie procesu spania.
Niezależnie od metody wyznaczenia charakterystycznych temperatur oznaczenie sprowadza się do
określenia:

temperatury spiekania (ts),

temperatury mięknienia (tm),

temperatury topnienia (tt),

temperatura płynięcia (tp).
Charakterystyczne temperatury popiołu niektórych struktur morfologicznych odpadów
przedstawione zostały na rys. 2. Charakterystyczne temperatury zostały wyznaczone przy pomocy
metody Bunte-Bauna.
Rysunek 2: Charakterystyczne temperatury popiołu
9
Charakterystyczne temperatury popiołu są ściśle uzależnione od składu chemicznego
substancji mineralnej spalanych struktur morfologicznych odpadów. Temperatury popiołu ulegają
szczególnemu obniżeniu wówczas, gdy w substancji mineralnej występują duże ilości Na i K.
Ponieważ odpady pochodzenia roślinnego i zwierzęcego zawierają największą ilość Na i K, dlatego
charakterystyczne temperatury ich popiołów są niskie. Temperatura mięknienia popiołów
pochodzenia roślinnego wynosi około 710oC, odpadów mięsnych - 890oC, a odpadów
kostnych - 950oC. Najwyższe temperatury mięknienia popiołów są charakterystyczne dla odpadów
pochodzących z tworzyw
sztucznych, PCV i gumy. Temperatura mięknienia popiołu w tym
przypadku wynosi około 1300oC. Popiół pochodzący z drewna, makulatury, tekstyliów i skór
posiada temperaturę mięknienia w przedziale 1000÷1200oC.
Istotne znaczenie mają również temperatury topnienia i płynięcia popiołu odpadów
roślinnych i zwierzęcych których wartości zawierają się w przedziale 900-1150oC. Niskie wartości
tych temperatur szczególnie w przypadku odpadów kostnych powodują istotną dezorganizację
procesu spalania odpadów o niskiej reakcyjności.
Powstaje bowiem sytuacja gdy płynna substancja popiołu pochodzącego ze spalania
odpadów kostnych zatapia niespalony karbonizat pochodzący np. z odpadów gumowych czy
tekstylnych co przedstawiają zdjęcia na załączonych rysunkach. Oblepione płynnym popiołem
ziarna karbonizatów są zatopione wewnątrz powłoki żużlowej. Proces spalania zostaje przerwany,
a wewnątrz powstaje niedopał w postaci niespalonego karbonizatu, co bardzo dokładnie obrazują
zdjęcia fragmentu żużlu pobranego spod rusztu kotła rusztowego spalarni odpadów w Warszawie.
Przedstawiona na rys. 3. dokumentacja zdjęciowa jest charakterystycznym przykładem spalania
odpadów komunalnych, składających się z różnych gatunków morfologicznych, różniących się
zarówno substancją organiczną jak i substancją mineralną. Różnice pomiędzy poszczególnymi
strukturami morfologicznymi występują praktycznie we wszystkich charakterystykach mających
wpływ na proces spalania. Różnice te, co pokazały zamieszczone wyniki badań są na tyle znaczne,
że powodują trudne do przewidzenia skutki, wzajemnie nakładających się lub znoszących się
10
efektów fizykochemicznych.
Różnorodność przebiegających zjawisk podczas spalania poszczególnych struktur
morfologicznych oraz ich przesunięcia czasowe powodują nakładanie się niekorzystnych zjawisk,
które prowadzą do powstania straty niecałkowitego spalania w żużlu oraz wzrostu straty kominowej
spowodowanej niekontrolowanym przepływem „fałszywego” powietrza przez te fragmenty rusztu
w których nastąpiło wcześniejsze wypalenie najbardziej reakcyjnych odmian morfologicznych
odpadów.
Rysunek 3: Niedopał powstały w żużlu
Grupa odpadów pochodzących z makulatury, drewna budowlanego, odpadów tekstylnych,
odpadów zwierzęcych spala się dwukrotnie wolniej od peletów i brykietów pochodzenia roślinnego
lecz znacznie krócej od odpadów pochodzących ze skóry, PCV i gumy. Jest to szczególnie
widoczne w przypadku ustalonego rozdrobnienia odpadów.
W zakresie określonego rozdrobnienia, całkowity lecz inny czas wypalania (τc)
identycznych
masowo,
lecz
niekiedy
różniących
11
się
geometrycznie,
różnych
struktur
morfologicznych odpadów powoduje dezorganizacje procesu spalania warstwy wsadu na ruszcieniezależnie od jego typu. Jednorodna początkowa warstwa paliwa na ruszcie posiadająca
jednakowy opór hydrauliczny dla przepływającego przez dane strefy powietrza, staje się z powodu
różnych szybkości wypalania poszczególnych gatunków morfologicznych, warstwą „dziurawą” o
strukturze „sera szwajcarskiego”.
Powietrze to bez specjalnych oporów hydraulicznych przepływa z nadmierną prędkością,
powodują dodatkowe obniżenie temperatury nieprzereagowanych karbonizatów, powodując dalsze
obniżenia
szybkości
spalania.
Nierównomierna
szybkość
wypalania
różnych
gatunków
morfologicznych powoduje dezorganizacje struktury warstwy spalających się odpadów na
ruszcie (rys. 4).
Wypalone substancje odpadów stanowią wolne przestrzenie w warstwie paliwa na
ruszcie, przez które przepływa swobodnie powietrze przeznaczone do spalania. Następuje
ucieczka powietrza, które nie bierze bezpośredniego udziału w utlenianiu pozostałych części
niespalonego paliwa.
W wyniku takiej dezorganizacji procesu spalania na ruszcie, znacznie rośnie strata
kominowa, ponieważ rośnie ilość podawanego powietrza pod ruszt w celu dopalenia niespalonych
części karbonizatu.
Część karbonizatu pochodząca z frakcji o najmniejszej reakcyjności w ogóle nie zdąży się
spalić na ruszcie, powodując stratę niecałkowitego spalania w żużlu. W tym przypadku strata
niecałkowitego spalania pochodzi głównie z tych struktur morfologicznych odpadów, które
charakteryzują się najniższą reakcyjnością i najdłuższym czasem spalania.
W zależności od składu morfologicznego strata ta może być na tyle znaczna, że obniży
sprawność termiczną układu kotłowego nawet o kilkanaście procent. Strata ta stwarza kłopot
w postaci żużlu, który staje się odpadem koniecznym do składowania lub do dalszej utylizacji,
ponieważ będzie zawierał powyżej 5% części palnych.
12
Istotne znaczenie mają również temperatury topnienia i płynięcia popiołu odpadów
roślinnych i zwierzęcych, których wartości zawierają się w przedziale 900-1150oC. Niskie wartości
tych temperatur szczególnie w przypadku odpadów kostnych powodują istotną dezorganizację
procesu spalania odpadów o niskiej reakcyjności.
Powstaje bowiem sytuacja, gdy płynna substancja popiołu pochodzącego ze spalania
odpadów kostnych zatapia niespalony karbonizat pochodzący np. z odpadów gumowych czy
tekstylnych. Oblepione płynnym popiołem ziarna karbonizatów są zatopione wewnątrz powłoki
żużlowej. Proces spalania zostaje przerwany, a wewnątrz powstaje niedopał w postaci niespalonego
karbonizatu, co bardzo dokładnie obrazują zdjęcia fragmentu żużlu pobranego spod rusztu kotła
rusztowego spalarni odpadów w Warszawie (rys. 3).
Przedstawiona dokumentacja zdjęciowa (rys. 1, 3, 5) jest charakterystycznym przykładem
spalania odpadów komunalnych, składających się z różnych gatunków morfologicznych,
różniących się zarówno substancją organiczną jak i substancją mineralną. Również pomiędzy
poszczególnymi strukturami morfologicznymi występują praktycznie różnice we wszystkich
charakterystykach mających wpływ na proces spalania. Różnice te, co pokazały zamieszczone
zdjęcia są na tyle znaczne, że powodują trudne do przewidzenia skutki, wzajemnie nakładających
się lub znoszących się efektów fizykochemicznych.
Różnorodność przebiegających zjawisk podczas spalania poszczególnych
struktur
morfologicznych oraz ich przesunięcia czasowe powodują nakładanie się niekorzystnych zjawisk,
które prowadzą do powstania straty niecałkowitego spalania w żużlu oraz wzrostu straty kominowej
spowodowanej niekontrolowanym przepływem „fałszywego” powietrza przez te fragmenty rusztu,
w których nastąpiło wcześniejsze wypalenie najbardziej reakcyjnych odmian morfologicznych
odpadów (rys. 4).
13
Rysunek 4: Dezorganizacja struktury warstwy spalających się odpadów
Proces spalania mieszaniny odpadów komunalnych w kotłach rusztowych jest procesem
niecałkowitym i zawsze prowadzi do niecałkowitego spalania i obecności niespalonych części
(paliwa) odpadów w żużlu z reguły znacznie przekraczających dopuszczalną ilość 5% udziału
Rysunek 5: Aglomeraty żużlu pochodzące ze spalania odpadów komunalnych
masowego żużlu. Powstaje w ten sposób odpad, który musi być składowany na specjalnych
składowiskach lub musi być przeznaczony do dalszej utylizacji. Wielkość niedopału w dużej mierze
jest zależna od składu morfologicznego odpadów i może dochodzić nawet do 35%.
14
Popiół lotny
Sposób odzysku koksiku z lotnego popiołu w kotłach rusztowych spalarni odpadów polega
na tym, że transportowany układem odpopielania kotła lotny popiół kieruje się do wibracyjnego
przesiewacza sitowego wyposażonego w zestaw pięciu sit o wymiarze oczka najdrobniejszego sita
wynoszącym 500µm i pozostałych sit o rozmiarach oczka wynoszących 1000µm, 2000µm,
3000µm, 5000µm. Stopniowe oddzielanie koksiku o wymiarach większych od 5000µm, a następnie
w dalszej kolejności o wymiarach 3000µm, 2000µm, 1000µm i 500µm nie stwarza czynników
hamujących oddzielenia popiołu wówczas, gdy warstwa nadawy ma odpowiednią grubość. Wynika
to z faktu, iż ziarna koksiku o bardzo rozwiniętej powierzchni zewnętrznej powodują zlepienie
i aglomerację ziaren zarówno koksiku jak i substancji mineralnej popiołu. Ruch wibracyjny
posuwisto-zwrotny sit wibracyjnych przesiewacza sitowego ma za zadanie rozluźnienie i rozbicie
posklejanych i zaglomerowanych cząstek popiołu i koksiku, a przez to ma poprawić swobodny
przepływ przez sita ziaren popiołu. Oddzielony w wibracyjnym przesiewaczu sitowym koksik
kierowany jest do układu odbioru odseparowanego koksiku w postaci przyłączonego do
wibracyjnego przesiewacza sitowego i wyposażonego w dozownik celkowy kanału spustowego
połączonego ze zbiornikiem magazynowym koksiku. Oczyszczony w wibracyjnym przesiewaczu
sitowym z koksiku popiół kanałem spustowym przy pomocy dozownika celkowego grawitacyjnie
lub przy udziale sprężonego powietrza, transportowany jest na składowisko popiołu. Podziarno
(poniżej 500µm) składające się z lotnego popiołu oraz z niewielkiej ilości najdrobniejszych frakcji
ziaren koksiku odprowadzane jest z wielopokładowego przesiewacza wibracyjnego przenośnikiem
ślimakowym bezpośrednio do kanału odpopielania. Odseparowany od popiołu koksik kierowany
jest do układu nawęglania, gdzie może być ponownie wykorzystany jako paliwo, a oczyszczony
z części palnych popiół, zawierający poniżej 3,5% części palnych, jako pełnowartościowy surowiec
budowlany transportowany jest na składowisko popiołu celem późniejszego wykorzystania jako
dodatek do kruszywa sztucznego.
15
Badania rozkładu ziarnowego lotnego popiołu wykazały, że współspalanie odpadów
komunalnych powoduje wyraźny rozdział ziarnowy pomiędzy lotnym popiołem a lotnym
koksikiem. Fakt ten stwarza możliwość odseparowania lotnego koksiku od lotnego popiołu.
Granica rozdziału ziarnowego koksiku i popiołu jest wyraźnie zależna od rodzaju spalanych
odpadów oraz od technologii spalania. Rozfrakcjonowanie popiołu lotnego, pochodzącego z kilku
lejów zsypowych wykazało, że począwszy od określonego zakresu średnic oczek sit, zasadniczą
masę przesiewu stanowią ziarna popiołu. Graniczna wielkość oczek sita, poniżej której masę
dochodzącą do 98% stanowi popiół, jest zależna od rodzaju spalanych odpadów i technologii
spalania. Graniczna wielkość oczek poniżej której główną masę przesiewu stanowi popiół, zmienia
się od 400 do 800µm. Ziarna większe od powyższych średnic stanowią wyłącznie ziarna koksiku.
Maksymalny udział popiołu lotnego przypada na ziarna o rozmiarach w zakresie średnic
30÷180µm. Wymiar średnic ziaren o maksymalnym udziale masowym jest zależny od rodzaju
spalanych odpadów i technologii odsiarczania spalin. Maksymalny udział masowy ziaren lotnego
popiołu w przypadku spalania odpadów komunalnych przypada na ziarna o średnicy 150÷180µm,
a w przypadku spalania odpadów rolniczych przypada na ziarna o średnicy 80÷150µm. Strukturę
rozkładu ziarnowego zmienia w dość istotny sposób technologia odsiarczania spalin. Dotyczy to
zarówno spalania odpadów komunalnych jak i odpadów rolno-spożywczych.
Technologia suchego odsiarczania spalin powoduje wzrost średnic ziaren lotnego popiołu
o maksymalnym udziale masowym. W przypadku spalania odpadów komunalnych zakres średnic
ziaren lotnego popiołu o maksymalnej masie zawiera się w przedziale 70÷150µm, a dla spalania
odpadów „agro” zawiera się w przedziale 150÷300µm. Udział masowy ziaren lotnego popiołu
o średnicach większych od 300µm maleje do zera. Ziarna koksiku pozostałe w strumieniu
wylotowym z przesiewacza wibracyjnego w niewielkim stopniu zależą od rodzaju spalanych
odpadów i od technologii odsiarczania. W odseparowanym popiele, ziarna koksiku pojawiają się
o wymiarach mniejszych od 300µm. Maksymalny udział masowy koksiku w oczyszczonym popiele
przypada na ziarna o średnicy 150÷300µm i wynosi nie więcej jak 0,8% udziału masowego
16
oczyszczonego z części palnych popiołu. Skuteczność oczyszczania lotnego popiołu z lotnego
koksiku
jest
porównywalna
zarówno
dla
odpadów
komunalnych
o
różnym
składzie
morfologicznym jak i spalania odpadów rolniczych, spożywczych i zwierzęcych w kotłach
fluidalnych ze stacjonarnym złożem pęcherzykowym jak i cyrkulacyjną warstwą fluidalną.
Skuteczność obniżania zawartości lotnego koksiku w lotnym popiele w odniesieniu do
pierwotnej zawartości koksiku w strumieniu nadawy w zależności od typu kotła i technologii
spalania wynosi od 5 do 10%, a sprawność odzysku koksiku w odniesieniu do początkowej
zawartości koksiku w lotnym popiele wynosi od 75 do 95%. Pozostały w lotnym popiele koksik
stanowi udział masowy w zakresie od 0,6 do 1,8%.
17
Zadanie I
Pobór próbek popiołów lotnych
Okres i częstotliwość pobrania próbek
Próbki pobrano w okresie od 13.05.2015r.do 20.05.2015r.
Próbki pobierano dwa razy dziennie o godz.1000 i o godz. 1700.
Miejsce pobrania próbek
Próbki popiołu lotnego i popiołu dennego pobrane zostały z leja zsypowego czopucha
i leja żużlowego kotła z rusztem schodkowym do utylizacji odpadów w Zakładzie
Unieszkodliwiania Stałych Odpadów Komunalnych w Warszawie ul. Gwarków 9.
Sposób pobrania i zabezpieczenia próbek
Próbki pobierano szuflą z miejsca zsypu popiołu. Każdorazowo pobierano około 40 kg popiołu.
Po pobraniu, próbkę kilkakrotnie mieszano. Po wymieszaniu formowano pryzmę, którą dzielono na
cztery równe części. Drogą losową wybierano jedną część, jako próbkę reprezentatywną. Próbkę
reprezentatywną wykonano zgodnie z PN węglową. Każdą próbkę oznaczono symbolem
określającym dzień i godzinę pobrania. Próbkę popiołu lotnego i popiołu dennego wraz
z informacją merytoryczną umieszczono w workach polietylenowych szczelnie zamkniętych.
Oznakowane worki z próbkami przetransportowano do siedziby ZBUS Combustion, gdzie zostały
poddane programowym badaniom.
Osoby pobierające próbki
Próbki zostały pobrane przez pracownika Zakładu Budowy Urządzeń Spalających
„ZBUS Combustion” Sp. z o.o. w Głownie pod nadzorem dr inż. Henryka Karcza.
18
Zadanie II - Przygotowanie próbek do badań
Przygotowanie próbek popiołu lotnego do badań rozkładu ziarnowego i składu
chemicznego
Z każdej próbki lotnego popiołu pobrano 1 kg mieszaniny popiołu i koksiku, który został
przeznaczony do określenia rozkładu ziarnowego oraz 2 kg do określenia składu chemicznego
lotnego koksiku i lotnego popiołu. Próbki do badań składu ziarnowego i chemicznego zostały
dostarczone w stanie pierwotnej granulacji.
Zawartość lotnego koksiku w lotnym popiele, w zależności od rodzaju spalanych odpadów
i sposobu eksploatacji kotła, zawiera się przeważnie w granicach od 4 do 10% udziału masowego.
Ziarenka koksiku występują tu w postaci oddzielnych struktur geometrycznych o rozmiarach od 30
do 2500 μm. Kształt geometryczny ziarenek lotnego koksiku zmienia się od kształtu kulistego do
kształtu płytek. Ziarna koksiku odbiegające od kształtu kulistego posiadają z reguły płaski kształt
płytek o mocno rozwiniętej zewnętrznej powierzchni w postaci odstających kłaczków. Duże ziarna
lotnego koksiku posiadają dużą wyporność hydrodynamiczną i łatwo unoszą się w strumieniu
spalin. Ziarna lotnego popiołu mają znacznie mniejsze rozmiary i w przeważającym stopniu kształt
zbliżony do kuli. Ziarna popiołu lotnego mają znacznie mniejszą siłę wyporu i dlatego ich wymiary
geometryczne są mniejsze. Odzysk lotnego koksiku od lotnego popiołu jest nieco łatwiejszy do
zrealizowania niż w przypadku popiołu dennego. Wynika to z przesłanek wymiarowych lotnego
koksiku i lotnego popiołu. Zasadnicza masa popiołu lotnego przypada na ziarna znacznie mniejsze
niż ziarna lotnego koksiku. Z tego powodu jest je łatwiej oddzielić od ziaren lotnego popiołu.
Przygotowanie próbek popiołu dennego do badań rozkładu ziarnowego i składu
chemicznego
Przygotowanie próbek popiołu dennego do badania struktury ziarnowej koksiku i żużlu oraz
badania chemicznego w sposób zdecydowany odbiega od przygotowania próbek popiołu lotnego.
Popiół denny, jak pokazują fotografie na rys.1, 3 i 5 tworzy aglomeraty żużlowe, składające się
19
z zasklepionych wewnątrz roztopionej substancji popiołu, pojedynczych ziaren, co wynika z natury
procesu. Koksik przed badaniami musi być oddzielony od popiołu dennego czyli od żużlu.
Niskie temperatury topliwości popiołu jednych odmian alotropowych i długie czasy wypalania
karbonizatów, powodują powstanie na ruszcie sytuacji, gdy płynna substancja popiołu pochodząca
z odpadów roślinnych lub zwierzęcych zalepia niespalony karbonizat pochodzący np. z odpadów
gumowych lub tworzyw sztucznych. Proces spalania zostaje przerwany, a wewnątrz powstaje
niedopał w postaci niespalonego karbonizatu. Oblepiony płynnym popiołem karbonizat zostaje
zatopiony wewnątrz powłoki żużlowej.
Różnorodność
przebiegających
zjawisk
podczas
spalania
poszczególnych
struktur
morfologicznych oraz ich przesunięcia czasowe powodują nakładanie się niekorzystnych zjawisk,
które prowadzą do powstania wysokiej zawartości części palnych w żużlu. Analiza przebiegających
na ruszcie zjawisk podczas procesu spalania odpadów komunalnych, wykazała że równoczesne
przemiany termiczne substancji dwóch lub większej ilości odmian morfologicznych odpadów
o odmiennych charakterystykach fizykochemicznych i kinetycznych mogą powodować trudne do
przewidzenia skutki, przeważnie o charakterze negatywnym. Negatywnym skutkiem takiego
procesu spalania odpadów komunalnych na ruszcie jest zatapianie substancji palnej odpadów przez
roztopioną substancję mineralną popiołu. Wynika to z faktu, że przemianę termiczną w bliskim
sąsiedztwie przechodzi np. jednocześnie odpad gumowy i odpad kostny. Jeżeli ziarno karbonizatu
pochodzące z gumy znajdzie się w pobliżu płynnej fazy popiołu pochodzącej z kości, wówczas
zostanie zatopione wewnątrz powłoki żużlu. Proces spalania karbonizatu zostaje przerwany
i powstaje niedopał w postaci karbonizatu, składającego się w znacznej mierze z pierwiastka C.
Powstały w kotle rusztowym popiół denny zawiera wewnątrz ziaren żużlu znaczne ilości koksu,
które stanowią części palne, znacznie przekraczające dopuszczalną wartość 5%. Części palne
w popiele dennym z reguły nie występują jako oddzielne ziarna koksiku, lecz są zatopione
wewnątrz powłoki żużlowej. Struktura fizyczna koksu zatopionego w aglomeratach żużlowych
znacznie różni się od struktury popiołu. Koks posiada mniejszą twardość, większą łamliwość i dość
20
łatwo oddziela się od struktur popiołowych podczas procesu rozdrabniania. Oddzielony koksik
prawie w 100% złożony jest z pierwiastka C. Inne pierwiastki takie jak S, N, O, H zostały
wydzielone z karbonizatu w fazie spalania i w fazie zalewania przez płynny popiół. O procesie
wydzielania gazów pirolitycznych po zatopieniu koksiku w popiele , świadczy porowata struktura
żużlu wokół ziaren koksu (zdjęcie na rys.1 i 5). Im stopień rozdrobnienia aglomeratów żużlowych
jest większy tym więcej koksiku jest oddzielonego od struktur żużlowych. Koksik występuje
wówczas w mieszance z popiołem w postaci oddzielnych struktur geometrycznych. Proces
rozdrobnienia popiołu dennego pochodzącego ze spalarni z pieców przemysłowych z kotłami
rusztowymi jest jedynym sposobem prowadzącym do oczyszczenia popiołu z części palnych
i otrzymania materiału budowlanego nie będącego odpadem koniecznym do składowania.
Sposób odzysku koksiku z popiołów paleniskowych kotła rusztowego do utylizacji odpadów
komunalnych, rolniczych, zwierzęcych, przemysłowych, osadów i paliw kopalnych w których
koksik znajduje się wewnątrz aglomeratów żużlowych znamienny jest tym że żużel z zalanymi
wewnątrz ziarnami karbonizatu podaje się do kruszarki, która kruszy żużel do ziaren o rozmiarach
mniejszych od 5 mm. Korzystnie jest aby ziarna żużlu i karbonizatu miały rozmiary mniejsze
od 2 mm. Z uwagi na różną twardość, różną łamliwość, żużel oddziela się od ziaren karbonizatu.
Przy rozdrobnieniu poniżej 2 mm, pozostałość karbonizatu w ziarnach żużlu jest mniejsza od 3%
udziału masowego. Im większy jest stopień rozdrobnienia, tym mniejszy procent substancji
węglowej, znajdującej się w ziarnach żużlu.
Mieszanina ziaren żużlu i karbonizatu podawana jest na zestaw sit wibracyjnych o oczkach
mniejszych od 5 mm w których następuje rozfrakcjonowanie ziaren żużlu i karbonizatu. Z uwagi na
większą łamliwość i kruchość żużlu średnica ziaren żużlu jest znacznie mniejsza od średnicy ziaren
popiołu. Ziarna zmielonego popiołu mają kształt bardziej regularny, zbliżony do kształtu kulistego,
a ziarna karbonizatu, kształt mają nieregularny zbliżony do płytek o bardzo rozwiniętej strukturze
kłaczkowatej. Ze względu na powyższe cechy fizyczne rozdrobnionych składników popiołu
dennego zdecydowana większość masowa (60-80%) żużlu, przypada na ziarna popiołu
21
o rozmiarach mniejszych od 500 μm. Frakcje ziarnowe popiołu o rozmiarach większych od 500 μm
występują w rozdrobnionym żużlu w ilości nie większej jak 10% udziału masowego. Rozkład
ziarnowy koksiku i popiołu dennego pozwala określić udział poszczególnych frakcji ziarnowych.
Analiza chemiczna pozwoli określić przydatność popiołu do celów budowlanych i do celów
chemicznych, a koksik do celów energetycznych lub chemicznych.
Kruszarka żużlu wyposażona jest w zestaw sit o wymiarze oczek sita 3000 μm. Sita dają
możliwość oddzielenia podziarna o wymiarach mniejszych od 3000 μm od nadziarna powyżej
3000 μm. Podziarno o wymiarach poniżej 3000 μm składające się z ziaren popiołu i karbonizatu
kierowane jest do przesiewacza o stopniowanym wymiarze oczek sit, o średnicy 3000, 2000, 1000,
800, 700, 600, 400, 300, 200, 100 i 50μm. Ziarna żużlu i karbonizatu mają strukturę geometryczną
o postrzępionych ściankach i licznych kłaczkach, które częściowo blokują przepływ ziaren przez
sita wibracyjne, które powinny mieć większa amplitudę drgań, niż w przypadku ziaren o kształcie
zbliżonym do kulistego i gładkich ściankach. W przypadku ziaren popiołu lotnego, ziarna popiołu
mają strukturę bardziej regularną o kształcie kulistym i gładkiej powierzchni która umożliwia
łatwiejsze przechodzenie ziaren popiołu lotnego przez oczka sita. Powierzchnia sita nie blokuje się
przez zaklejone ziarnami oczka.
Sumaryczna ilość rozdrobnionego popiołu dennego składającego się z ziaren karbonizatu
i żużlu, została przygotowana dla każdej pobranej próby w ilości 2 kg. Rozdrobniony w kruszarce
i rozdzielony na sicie na podziarno o rozmiarach poniżej 3 mm, popiół denny o masie 1 kg został
przeznaczony do badania rozkładu ziarnowego. Pozostały, rozkruszony żużel przesiany został na
sicie o rozmiarze oczek 2 mm. Uzyskany popiół denny jako podziarno, w ilości 1 kg przeznaczony
został do badania składu chemicznego żużlu i karbonizatu.
22